FEMM 5

Лабораторная работа

Сила в пазу: нагрузка меди, стенок и выбор глубины проводника

Цель. Определить распределение поперечной силы между медным проводником и стенками паза. Выбрать положение проводника, при котором доля действующей на него силы не превышает 10%.

Связь с проектированием. Выбрать минимальную обоснованную глубину погружения проводника при ограничении поперечной электромагнитной нагрузки на медь и изоляцию.

Задачи

  1. Разложить поле на внешнюю и собственную составляющие.
  2. Вычислить силу меди интегралом Лоренца, стенок и всей ячейки — напряжениями Максвелла.
  3. Проверить баланс и сеточную сходимость.
  4. Подтвердить правило пересчёта поля при конформном отображении.

Исходные данные и условия опыта

Паз 8×20 мм, деление 40 мм, зазор 2 мм; идеальные линейные сердечники. Средний поток Bср=0,8 Тл. Проводник 6×0,6 мм несёт ±1000 А; активная длина 1 м. Координата y направлена к верхнему сердечнику, ток +I — вдоль +z.

Центр проводника перемещается от 0,7 до 17 мм ниже поверхности зубцов. Для выделения силы взаимодействия выполняются парные опыты с противоположными токами.

Теория расчётного метода

Сила меди не равна силе всей пазовой ячейки

На заданный объём тока действует сила Лоренца. Поле внутри глубокого паза ослабевает с удалением от раскрытия; поэтому одинаковый ток на разной глубине получает разную поперечную силу.

Магнитное поле также передаёт нагрузку стенкам. Силу стенок определяют воздушным контуром, который обходит проводник. Полный контур ячейки включает боковые сечения; заданный на них A не означает нулевого напряжения Максвелла.

При I вдоль +z и внешнем B_y >0 сила меди направлена по -x. Половина разности сил при +I и -I выделяет взаимодействие с внешним полем: члены, квадратичные по собственному току, сокращаются. В линейной системе отдельно рассчитанные чётное и нечётное поля должны давать их сумму.

F_{x,\rm Cu}=-l\int_{S_{\rm Cu}}J_zB_y\,dS,\qquad \mathbf T=\frac{\mathbf B\mathbf B-\tfrac12B^2\mathbf I}{\mu_0}
Напряжения Максвелла интегрируются только по воздуху; нормаль направлена из рассматриваемого тела.
F_{\rm int}=\frac{F(+I)-F(-I)}2,\qquad F_{\rm яч}=F_{\rm Cu}+F_{\rm стен}
Обе составляющие определяются независимо. Для широких зубцов эталон ячейки — |Fяч|≈Bзубца Il.
A=A_{\rm чёт}+A_{\rm нечёт},\qquad \eta_F=|F_{\rm Cu}/F_{\rm яч}|
Суперпозиция применима при линейных материалах и одинаковых границах.

Литература по методу: Силы на проводниках и зубчатом роторе: три независимых эталона · PDF 1–2: способы силы; 3–5: BIl; 5–6: провода; 7–10: зубчатый ротор и серия; Чётное и нечётное поля паза: Картер и разностная проводимость · PDF 1: смысл разложения; 2–3: варианты, интегралы, k\delta и проверка; Распределение силы между проводом и стенками паза · PDF 1–3: общая сила; 4–6: разбиение и точность расчёта; 6–8: программа

Что сохраняет конформное преобразование

Конформное отображение упрощает двумерную линейную краевую задачу. Потенциал в соответствующих точках и поток между соответствующими линиями сохраняются при общей нормировке.

Индукция получается пространственной производной потенциала, поэтому она изменяется с масштабом отображения. Равенство A в двух областях не означает равенства B. Семь пар точек в круговом и прямоугольном зазорах проверяют это различие.

Логарифмическое отображение здесь даёт точный эталон поля линейного тока вне его радиуса. Оно позволяет проверить правило переноса градиента перед применением более сложного отображения пазовой области.

z=5\,{\rm мм}\,e^{w/(10\,{\rm мм})},\quad A=10^{-3}\frac{\ln(20\,{\rm мм}/r)}{\ln4}\,{\rm Вб/м}
Четверть кольца r=5…20 мм отображается в прямоугольник.
|\mathbf B(z)|=|\mathbf B(w)|\,\left|\frac{dw}{dz}\right|=|\mathbf B(w)|\frac{10\,{\rm мм}}r
z и w обозначают комплексные координатные плоскости. Проверяется производная отображения, а не инвариантность напряжённости.

Литература по методу: Конформный эталон поля линейного тока · PDF 1–4: преобразование и точки; 5–7: эквипотенциаль; 8: количественная программа

Три способа вычисления силы и момента

Сила на заданном токе вычисляется объёмным интегралом J\times B. Для тела с намагниченным материалом удобен интеграл магнитных напряжений по окружающему воздуху. Производная коэнергии при фиксированном токе даёт третий способ, использующий соседние положения геометрии.

Каждый способ имеет собственный численный контроль: разрешение проводящей области, сетку и расположение воздушного контура либо шаг угловой/линейной производной. Расхождение методов сначала относят к этим контролям, а не к изменению свойств материала. Локальное напряжение у острого угла не является устойчивой характеристикой, тогда как суммарная сила может сходиться.

\mathbf F=\int_V\mathbf J\times\mathbf B\,dV,\qquad \mathbf T_M=\frac1{\mu_0}\left(\mathbf B\mathbf B-\tfrac12B^2\mathbf I\right)
Воздушная форма тензора используется на контуре, целиком проходящем в немагнитной среде.
\mathbf F=\oint_S\mathbf T_M\mathbf n\,dS,\qquad T_z=\oint_S[\mathbf r\times(\mathbf T_M\mathbf n)]_z\,dS
Контур охватывает выбранное тело и не пересекает токовые области.

Литература по методу: Электромагнитный момент и силы тяжения · PDF1–6; Электромагнитные силы и добавочные моменты · PDF4–15; Hrabovcová, Rafajdus, Makyš. Analysis of Electrical Machines (2020) · PDF130–136,184–189

Конформное преобразование и показатель поля у угла

Аналитическое преобразование сохраняет гармоничность потенциала и ортогональность его линий уровня. При этом напряжённость меняется из-за геометрического масштаба производной отображения. Поэтому проверяют одновременно соответствующие значения потенциала и преобразованный модуль поля.

В преобразовании Шварца–Кристоффеля показатели множителей определяются внутренними углами многоугольника. Возле угла \alpha локальная координата связана с исходной степенью \alpha /\pi. Отсюда следует показатель поля \pi /\alpha -1. Для входящего угла 270^\circ поле растёт как r^(-1/3); измерение показателя по нескольким расстояниям позволяет объяснить рост сеточного максимума в L-образном проводнике и необходимость конечного радиуса скругления.

\frac{dF}{dz}=\frac{dF/dw}{dz/dw},\qquad \frac{dz}{dw}=C\prod_k(w-a_k)^{\alpha_k/\pi-1}
Первая формула задаёт масштаб комплексного поля, вторая — производную отображения Шварца–Кристоффеля.
z-z_0\sim(w-w_0)^{\alpha/\pi},\qquad |\nabla U|\sim r^{\pi/\alpha-1}
Локальный асимптотический закон; коэффициент и конечный диапазон расстояний задаются полной краевой задачей.

Литература по методу: Конформные преобразования и комплексная потенциальная функция · PDF1–17,26–30; Преобразование Шварца–Кристоффеля · PDF1–13

Чётное и нечётное поле: от зубцовой зоны к Картеру

В линейной зубцовой зоне удобно разделить возбуждение поперечным потоком и собственным током паза. Они имеют различную симметрию и различные контрольные величины. Суперпозиция проверяется на поле и на потоке; энергия общего поля включает взаимный член.

Эффективный зазор определяется по интегральному потоку или энергии при явно фиксированной МДС либо фиксированном потоке. Коэффициент Картера связывает реальную зубцовую область с гладкой моделью. Он не служит множителем для любого локального пика B. Конечная проницаемость, ширина раскрытия и сетка варьируются раздельно.

\mathbf B=\mathbf B_{\rm even}+\mathbf B_{\rm odd},\qquad k_C=\delta_{\rm eff}/\delta
Разложение использует одну линейную геометрию и согласованные возбуждения.
\delta_{\rm eff}=\frac{2\mu_0 W}{B_{\rm av}^2\tau l_z}
Энергетическое определение для выбранного зубцового деления при фиксированном среднем потоке в воздушной области.

Литература по методу: Зубчатость зазора, Картер и зубцовые контуры · PDF1–20,34–54; Hrabovcová, Rafajdus, Makyš. Analysis of Electrical Machines (2020) · PDF21–31

Модели для работы

Сила в пазу: нагрузка меди, стенок и выбор глубины проводника

Паз 8×20 мм, деление 40 мм, зазор 2 мм; идеальные линейные сердечники. Средний поток Bср=0,8 Тл. Проводник 6×0,6 мм несёт ±1000 А; активная длина 1 м. Координата y направлена к верхнему сердечнику, ток +I — вдоль +z. Центр проводника перемещается от 0,7 до 17 мм ниже поверхности зубцов. Для выделения силы взаимодействия выполняются парные опыты с противоположными токами. Идеальные сердечники не моделируют насыщение, контактные напряжения и механическую прочность изоляции. Результат относится к прямому участку длиной 1 м; торцевые силы требуют отдельной модели. Вычисление по разрывному или незамкнутому силовому контуру не даёт полного баланса.

Модели и сохранённые решения серии
Результаты расчёта
ВеличинаРезультатЕдиница
Доля силы меди на глубине 4 мм8,436%
Сила меди на глубине 4 мм-74,19Н/м

Последовательное решение

1 · Силовая задача и воздушные контуры

Определения измеряемых величин и электрические условия задают смысл последующего сравнения.

  1. Запишите направления x, y, z, положительный ток и знак ожидаемой силы. Назначьте ограничение доли силы меди 10%.
  2. Отметьте медь, обе стенки, дно паза, поверхность зубцов и боковые сечения ячейки. Постройте два непрерывных контура в воздухе.
  3. Задайте одинаковую геометрию и сетку для парных токов ±1000 А и отдельных чётного и нечётного полей.

Записать в протокол. Протокол силовой серии, координаты контуров и предел нагрузки меди.

Подробное выполнение: 40.2 · Сила по тензору напряжений Максвелла, взвешенному интегралу и коэнергии; 4.1 · Наблюдаемые величины и обработка результатов

2 · Внешнее и собственное поле

Линейное разложение отделяет механизм взаимодействия.

  1. Рассчитайте внешнее поле при I=0 и собственное при Bср=0.
  2. Сравните их сумму с полями при +1000 А и разность — с −1000 А в четырёх контрольных точках.

Записать в протокол. A, B_x, B_y и невязка суперпозиции.

Подробное выполнение: 3.2 · Условия Дирихле, Неймана, Робина и открытая граница; 8.11 · Локальная матрица Якоби и динамическая индуктивность

3 · Три независимых интеграла силы

Непрерывность воздушного контура устраняет потерю угловых участков.

  1. В каждом положении получите Fмеди из J\times B.
  2. Проинтегрируйте напряжения по ступенчатому контуру вокруг стенок, не охватывая медь, затем по полному контуру ячейки.
  3. Вычислите половину разности результатов для противоположных токов; сравните Fмеди+Fстен с Fяч и Bзубца Il.

Записать в протокол. Таблица глубины, трёх сил, доли \eta F и невязки.

Подробное выполнение: 40.2 · Сила по тензору напряжений Максвелла, взвешенному интегралу и коэнергии; 4.1 · Наблюдаемые величины и обработка результатов

4 · Выбор глубины и численная точность

Ограничение силы должно иметь запас относительно численной ошибки.

  1. Найдите переход через \eta F=0{,}1 по точкам 3,5 и 3,6 мм; выберите практическую глубину с запасом.
  2. При глубине 7 мм повторите сетки 0,24; 0,12; 0,06 мм.
  3. Рассчитайте две конформно связанные области и сравните A и B в семи парах точек.

Записать в протокол. Выбранная глубина, сеточная разность и таблица конформного эталона.

Подробное выполнение: 3.3 · Независимое уточнение сетки, области и положения; 5.1 · Уравнения Лапласа и Пуассона: градиент, дивергенция и единственность; 40.2 · Сила по тензору напряжений Максвелла, взвешенному интегралу и коэнергии

Контрольный расчёт и численные результаты

I=1000 А, Bср=0,8 Тл, паз 8×20 мм, проводник 6×0,6 мм, l=1 м. Ограничение |Fмеди/Fяч|≤0,1.

  1. При глубине 3,5 мм доля силы меди равна 10,2762%; при 3,6 мм — 9,8795%.
  2. Выбрана глубина 4 мм с запасом: Fмеди=-74,1865 Н/м, Fстен=-803,365 Н/м, Fяч=-879,428 Н/м.
  3. Доля меди 8,43577%; независимый силовой баланс имеет невязку 0,213287%.

Силы взаимодействия получены из пар ±I; направления и боковые участки контуров учтены.

Распределение поперечной нагрузки

Глубина, ммFмеди, Н/мFстен, Н/мFяч, Н/мДоля меди, %Невязка, %
0,7-275,193-603,401-878,85331,31270,0295493
2-164,216-714,507-880,06118,65960,151972
3,5-90,3964-789,577-879,66710,27620,0348437
3,6-86,8883-792,187-879,4819,87950,0461344
4-74,1865-803,365-879,4288,435770,213287
5-50,0198-829,124-878,9965,690560,0168511
6-33,7478-847,065-879,8423,835660,110324
7-22,7825-855,92-879,9442,589080,141041
12-3,20257-874,983-879,3020,3642170,127002
17-0,491269-876,441-879,5750,0558530,300401

Конформный эталон: соответствующие точки

r, мм\theta, радA в круговой областиA в прямоугольникеB круговой, ТлB прямоугольный ×10/r, Тл
60,2868,7 × 10⁻⁶868,5 × 10⁻⁶0,11820,1202
70,4757,7 × 10⁻⁶757,3 × 10⁻⁶0,10450,103
80,6661,1 × 10⁻⁶661 × 10⁻⁶0,089440,09017
100,8500,1 × 10⁻⁶500 × 10⁻⁶0,073050,07213
121368,6 × 10⁻⁶368,5 × 10⁻⁶0,061180,06011
151,2207,5 × 10⁻⁶207,5 × 10⁻⁶0,047840,04809
181,475,96 × 10⁻⁶76 × 10⁻⁶0,040320,04007

Количественные результаты и их проверка

Заполните таблицу собственными значениями; каждому числу сопоставьте режим и файл решения.

ВеличинаЕдиницаЧто определяет
Fмеди, Fстен, FячН/мРаспределение электромагнитной нагрузки
\eta F и глубина1 ммПоложение проводника по ограничению силы
  1. Невязка силового баланса и сравнение с Bзубца Il — менее 2,5%.
  2. Изменение силы меди при сетке 0,12→0,06 мм — менее 1%.
  3. Невязка независимой суперпозиции B — менее 10 мкТл; ошибка B конформного эталона — менее 3%.

Итоговый вывод. Обоснуйте погружение центра проводника по ограничению 10% и запасу к численной погрешности. Покажите, куда передаётся оставшаяся электромагнитная нагрузка.

Границы применения результата

Литература

  1. Силы на проводниках и зубчатом роторе: три независимых эталона. — 10 с.
  2. Чётное и нечётное поля паза: Картер и разностная проводимость. — 3 с.
  3. Распределение силы между проводом и стенками паза. — 8 с.
  4. Конформный эталон поля линейного тока. — 8 с.
  5. Электромагнитный момент и силы тяжения. Раздел 6. — 6 с.
  6. Электромагнитные силы в магнитном поле. Раздел 12. — 15 с.
  7. Hrabovcová V., Rafajdus P., Makyš P. Analysis of Electrical Machines. — London : IntechOpen, 2020. — ISBN 978-1-83880-207-3. — DOI: 10.5772/intechopen.90135. Главы 1–3 распространяются по лицензии CC BY 3.0 [13].
  8. Конформные преобразования. Комплексная потенциальная функция. Раздел 9. — 30 с.
  9. Конформные преобразования (продолжение). Преобразование Шварца — Кристоффеля. Раздел 10. — 13 с.
  10. Магнитное поле в зазоре электрической машины с учётом зубчатости сердечников. Раздел 11. — 54 с.